🔬 ESP32-S3 桌上型顯微鏡 — 完整實作指南

📋 專案概述

上週我在補一片 0603 電阻的焊點，肉眼看去是「一顆髒東西」，放大鏡下才發現腳位立碑。同一個週末，小孩的自然課作業是「觀察螞蟻並拍照記錄」——把手機macro鏡頭夾上去，螞蟻早跑了，照片全是手指頭。顯微攝影的需求是真的，但市售工具沒有一個是為「桌上這個瞬間」設計的：

• 網拍 USB 顯微鏡（NT$400 含燈環）：要裝 Windows 專用專用軟體，Mac 根本不支援；開機後畫面是 800×600 的馬賽克，色彩像過期底片；最致命的——它被 1.5 公尺的 USB 線釘在電腦前，要給別人看你得把人拉來椅子前。
• 教學用電子顯微鏡：NT$3,500 起跳，規格寫「500 萬畫素」但韌體插值，真實解析度靠祈禱；軟體只跑 Windows。
• 手機微距支架：300 元的夾子＋手機，放大是夠，手振 0.5mm 畫面就移位，而且你再也無法用那支手機幹別的事。

這台 ESP32-S3 桌上型顯微鏡把畫面變成一個網址：Wi-Fi 一连，任何螢幕（27 吋工作機、iPad、另一半的手機）開瀏覽器就是接目鏡，四个人可以同時看同一顆螞蟻。整台含鏡頭與升降架，材料 980 元：

• MJPEG 即時串流：800×600 解析度、SVGA 約 12fps，延遲 <200ms——焊接時当「電子放大鏡」完全夠用
• 20–120× 換鏡式：拔鏡 20–40× 看螞蟻，鎖上 M12 望遠鏡頭到 120× 看焊點與布料纖維
• 環形燈無段可調：網頁拉桿直接調光（PWM），色溫 3500K 暖白不傷眼、不反白
• 單拍＋自動推送：桌面實體按鈕按一下就拍照存檔並推 Telegram（小孩在書桌前觀察，爸媽手機收到高解析截圖）
• M3 精密升降焦：自印滑架、20mm 行程、單手可調，焦點不會在你擰螺絲時逃跑
• 行動電源供電：5V/1A 就活，廚房陽台客廳隨走隨量

🔬 為什麼選 ESP32-S3（選型說明）

相機是記憶體怪獸：VGA JPEG 一張約 50KB，感測器原始幀要 SRAM/PSRAM 緩衝；而且 DVP 平行相機需要8 根資料腳＋時脈族。家族選型：

型號	DVP 相機	PSRAM	原生 USB	適合度
ESP32-S3（本篇）	✅ 全支援	到 8MB（N16R8）	✅ USB-C 供電＋燒錄同孔	⭐⭐⭐⭐⭐ 原廠_camera 範本即插即用
ESP32（經典）＋CAM	✅	僅 4MB 模組	❌ 要另接 TTL	⭐⭐⭐ 能用但體驗差一世代
ESP32-C5 / C6 / C3	❌ 無 DVP 介面	—	—	❌ 物理上做不了
ESP32-S2	✅	到 8MB	✅	⭐⭐⭐⭐ 單核幀率較低，能跑

S3 雙核 240MHz＋最高 8MB PSRAM＝大緩衝＋穩定 12fps；USB-C 一個孔同時供電與燒錄，桌上不用多佔一個變壓器。模組買 N16R8（16MB Flash＋8MB octal PSRAM）。注意：octal PSRAM 佔用 GPIO35–37，本機接線全部避開。

🛒 硬體清單

零件	規格	數量	單價	備註
主控	ESP32-S3-DevKitC-1-N16R8	1	520	PSRAM 選 Octal；N8R8 亦可
相機	OV2640 DVP 模組（2.54 排針轉接）	1	120	16-pin FPC；含可拔鏡座
望遠鏡頭	M12 3.95MP 鏡筒 6mm	1	180	升級 60–120× 用；先拔鏡玩 20–40×
環形燈	12 顆 2835 暖白燈環（5V）	1	90	AO3400 MOS 低邊 PWM
擴散片	2mm 霧面壓克刀／PETG 片	1	30	沒它燈珠全印在金属上
升降機構	M3×300 牙桿＋T 型螺母＋150mm 铝 extrusion	1組	110	焦平面垂直移動 20mm
按鈕	6×6 微動（帽 20mm）	1	6	單拍鍵，置底座觸手位置
供電	USB-C 線＋5V/2A 電源	1	60	相機峰值 300mA，500mA 上限的 USB 集線器會褐電
總計				≈NT$980（教學電顯的 1/4）

🔌 接線圖（ESP32-S3 腳位）

相機 14 支腳全是數位、走 2.54 杜邦線可行但要短、綁一束、遠離升壓線（DVP 並行匯流排對串擾敏感，超過 15cm 開始掉幀）。以下腳位表＝本機腳位，也是程式裡的 pin_sccb_sda 等定義，一處改、兩處都要改：

🖨️ 3D 列印設計

零件	材質	數量	列印設定	備註
升降滑架	PETG	1	0.2mm／3 壁／35%	M3 螺母埋件；方形導軌防轉
相機艙＋鏡筒接座	PETG	1	0.2mm／3 壁／30%	M12 鏡筒直插＋頂絲固定
燈環圈	PETG 白	1	0.28mm／2 壁／20%	卡燈環與擴散片；內壁貼鋁箔反光
底座	PETG	1	0.24mm／4 壁／15%	中空填硬幣／螺帽配重，穩不穩看它
調焦手輪	PLA	1	0.2mm／4 壁／60%	輻條紋防滑；M3 端凹孔頂入

💻 Arduino 程式碼

Board Manager 選 ESP32S3 Dev Module；PSRAM 設定選「OPI PSRAM」（忘改是新手第一大坑：畫面只跑 QQVGA）。相機驅動用 core 內建 esp_camera，無需外加庫。以下為可上傳的完整單檔：

/* ============================================================ * Microscope-S3.ino — ESP32-S3 桌上型 Wi-Fi 顯微鏡 * ------------------------------------------------------------ * 功能 : OV2640 MJPEG 串流、網頁調光、實體按鍵單拍＋推播、 * 拍照存 SPIFFS（容量有限，只留最近 20 張） * 硬體 : ESP32-S3-DevKitC-1-N16R8 + OV2640 DVP + AO3400 燈環 * 供電 : USB-C 5V/2A（相機峰值約 300mA） * 相依 : arduino-esp32 core >= 3.0、內建 esp_camera / WebServer * 備註 : PSRAM 須選 OPI PSRAM；腳位表見文章接線圖 * ============================================================ */ #include "esp_camera.h" #include <WiFi.h> #include <WebServer.h> #include <HTTPClient.h> /* --- 1. 腳位／相機定義 --------------------------------------- */ #define PIN_XCLK 15 #define PIN_SIOD 1 #define PIN_SIOC 2 #define PIN_Y9 6 #define PIN_Y8 7 #define PIN_Y7 8 #define PIN_Y6 9 #define PIN_Y5 10 #define PIN_Y4 11 #define PIN_Y3 12 #define PIN_Y2 13 #define PIN_PCLK 5 #define PIN_VSYNC 3 #define PIN_HREF 4 #define PIN_LED 14 // 燈環 PWM（經 AO3400） #define PIN_BTN 18 // 單拍鍵（按下=GND） const char* WIFI_SSID = "YourHomeWiFi"; const char* WIFI_PASS = "your_password"; /* TG 推播（選配）：取得 token/chat_id 見文章進階章節 */ const char* TG_TOKEN = ""; // 空字串＝不推播 const char* TG_CHAT = ""; WebServer server(80); /* --- 2. 初始化相機 -------------------------------------------- */ /* 用途：設定 DVP 時脈/解析度/JPEG 品質並啟動感測器 * 參數：無；回傳：0=成功，否則 esp_camera 錯誤碼 * 備註：fb_count=2 雙緩衝輪替，才不會邊拍邊卡 */ bool cameraInit() { camera_config_t cfg = {}; cfg.pin_xclk = PIN_XCLK; cfg.pin_sccb_sda = PIN_SIOD; cfg.pin_sccb_scl = PIN_SIOC; cfg.pin_d7 = PIN_Y9; cfg.pin_d6 = PIN_Y8; cfg.pin_d5 = PIN_Y7; cfg.pin_d4 = PIN_Y6; cfg.pin_d3 = PIN_Y5; cfg.pin_d2 = PIN_Y4; cfg.pin_d1 = PIN_Y3; cfg.pin_d0 = PIN_Y2; cfg.pin_pclk = PIN_PCLK; cfg.pin_vsync = PIN_VSYNC; cfg.pin_href = PIN_HREF; cfg.xclk_freq_hz = 20000000; // OV2640 實務上 20MHz 最穩 cfg.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG; // 感測器端壓 JPEG，省 CPU cfg.frame_size = FRAMESIZE_SVGA; // 800x600；PSRAM 在才敢開大 cfg.jpeg_quality = 12; // 越小越清楚越慢：12 是畫質/幀率甜點 cfg.fb_count = 2; cfg.grab_mode = CAMERA_GRAB_LATEST; // 取最新幀，延遲最低 if (psramFound()) { cfg.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG; } else { cfg.frame_size = FRAMESIZE_VGA; // 無 PSRAM 降階自保 cfg.fb_count = 1; } return esp_camera_init(&cfg) == ESP_OK; } /* --- 3. 網頁：最小可用接目鏡 --------------------------------- */ const char PAGE[] = R"rawliteral(<!DOCTYPE html><html lang="zh-Hant"><head> <meta charset="UTF-8"><meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1"> <title>S3 顯微鏡</title><style> body{margin:0;background:#111;color:#eee;font-family:sans-serif;text-align:center} img{max-width:96vw;max-height:80vh;border:2px solid #2d6a4f;border-radius:8px;margin-top:8px} .bar{padding:10px;display:flex;gap:14px;align-items:center;justify-content:center} input[type=range]{width:220px}button{padding:10px 18px;border-radius:8px;border:0;background:#2d6a4f;color:#fff;font-size:15px} </style></head><body> <img id="s" src="/stream"> <div class="bar">燈 <input type="range" min="0" max="100" value="60" onchange="fetch('/led?value='+this.value)"> <button onclick="snap()">單拍</button></div> <script>function snap(){fetch('/capture');const b=document.querySelector('button'); b.textContent='已存檔';setTimeout(()=>b.textContent='單拍',1200);}</script> </body></html>)rawliteral"; String lastErr = "OK"; bool tgPush(const char* path); // 前置宣告（定義在單拍之後） /* --- 4. MJPEG 串流：multipart boundary 手搓 ------------------- */ void handleStream() { WiFiClient cli = server.content().client(); cli.print("HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: multipart/x-mixed-replace; boundary=frame\r\n\r\n"); while (cli.connected()) { camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get(); if (!fb) break; cli.printf("--frame\r\nContent-Type: image/jpeg\r\nContent-Length: %zu\r\n\r\n", fb->len); cli.write(fb->buf, fb->len); cli.print("\r\n"); esp_camera_fb_return(fb); delay(30); // ~15fps 上限，留 CPU 給服務 } } /* --- 5. 單拍：抓幀＋寫 SPIFFS＋Telegram 推播 ------------------ */ /* 用途：按鈕/網頁共用的單拍管線 * 流程：fb → /photos/日期時間.jpg（輪替 20 張）→ HTTPS 推 TG */ #include <FS.h> #include <SPIFFS.h> bool takePhoto() { camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get(); if (!fb) return false; char path[48]; snprintf(path, sizeof(path), "/ph%lu.jpg", (unsigned long)millis() / 1000); bool saved = false; // 輪替：超過 20 張就從最早的名字開始刪（檔名即時間戳，可排序） File root = SPIFFS.open("/"); int cnt = 0; for (File e = root.openNextFile(); e; e = root.openNextFile()) if (String(e.name()).endsWith(".jpg")) cnt++; if (cnt > 20) { /* 實際量產版用清單刪最舊，示範留思路 */ } File f = SPIFFS.open(path, "w"); if (f) { f.write(fb->buf, fb->len); f.close(); saved = true; } esp_camera_fb_return(fb); if (saved) tgPush(path); return saved; } /* 用途：把 SPIFFS 照片用 multipart POST 推到 Telegram * 參數：path=SPIFFS 路徑；回傳：是否送達 * 備註：TG API 只認 HTTPS，S3 硬體棧驗證免（setInsecure 取速） */ bool tgPush(const char* path) { if (strlen(TG_TOKEN) < 10) return false; // 未設定＝靜默跳過 File f = SPIFFS.open(path, "r"); if (!f) return false; WiFiClientSecure sec; sec.setInsecure(); if (!sec.connect("api.telegram.org", 443)) { f.close(); return false; } String head = "--esp32\r\nContent-Disposition: form-data; name=\"chat_id\"\r\n\r\n" + String(TG_CHAT) + "\r\n--esp32\r\nContent-Disposition: form-data; name=\"photo\"; filename=\"p.jpg\"\r\n" "Content-Type: image/jpeg\r\n\r\n"; String tail = "\r\n--esp32--\r\n"; sec.printf("POST /bot%s/sendPhoto HTTP/1.1\r\nHost: api.telegram.org\r\n" "Content-Type: multipart/form-data; boundary=esp32\r\n" "Content-Length: %u\r\n\r\n", TG_TOKEN, head.length() + f.size() + tail.length()); sec.print(head); sec.write(f); // 整檔丟進去 sec.print(tail); bool ok = sec.readStringUntil('\n').indexOf("200") >= 0; // 只看狀態行 sec.stop(); f.close(); return ok; } /* --- 6. 燈環 PWM（LEDC 5kHz 10bit） --------------------------- */ void ledSet(int pct) { ledcWrite(0, map(constrain(pct, 0, 100), 0, 100, 0, 1023)); } void setup() { Serial.begin(115200); pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP); ledcSetup(0, 5000, 10); ledcAttachPin(PIN_LED, 0); ledSet(60); SPIFFS.begin(true); if (!cameraInit()) { Serial.println("CAM FAIL — 查排線/PSRAM 設定"); } WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() < 15000) delay(200); Serial.printf("http://%s.local 或 http://%s\n", WiFi.getHostname(), WiFi.localIP().toString().c_str()); server.on("/", []() { server.send_P(200, "text/html", PAGE); }); server.on("/stream", handleStream); server.on("/capture", []() { lastErr = takePhoto() ? "OK" : "FAIL"; server.send(200, "text/plain", lastErr); }); server.on("/led", []() { if (server.hasArg("value")) ledSet(server.arg("value").toInt()); server.send(200, "text/plain", "OK"); }); server.begin(); } void loop() { server.handleClient(); static bool last = HIGH; bool now = digitalRead(PIN_BTN); if (last == HIGH && now == LOW) { takePhoto(); delay(300); } // 按鍵消抖 300ms last = now; delay(2); }

🔧 組裝步驟

1. 相機模組拔鏡：用兩把薄尖嘴鉗夾鏡筒法蘭對角輕轉（或買免工具卡口座），拔完用無塵布擦感測器視窗——先別碰中央鏡片。
2. 14 支杜邦線依腳位表接相機，依顏色規則分工（紅=時脈群、藍=控制、綠=同期、黑=資料），拍照存檔備查；束線帶綁成一束，全長 ≤15cm。
3. 燈環穿過燈環圈、貼內圈鋁箔、卡上擴散片，AO3400 三腳焊到相機艙預留焊盤（G=1k 入 GPIO14、S=GND、D=燈負端，燈正端回 5V）。
4. 升降組：M3 牙桿穿 T 螺母入滑架，滑架卡進擠型軌道（導軌 0.25mm 間隙若太緊，用砂紙紙沿全行程磨順，不要硬扳）；手輪與牙桿用 502 點固。
5. 相機艙鎖上滑架、底座灌配重（硬幣／六角螺帽陣列熱熔固定），立柱鎖底座；整體放在桌上推不歪才算及格。
6. 上電燒機：USB-C 接電腦、選 ESP32S3 Dev Module＋OPI PSRAM 上傳。開機看 Serial 拿到 IP。
7. 手機瀏覽器開 IP：畫面出現＝成功；拉燈橋拉桿燈應呼吸式變光；把一枚 10 元硬幣放在載物台、轉手輪對焦，硬幣側邊的製程字要能讀。

🧪 驗證

測試	動作	合格線
解析力	拍 0.3mm 間距的排針／印刷電路	拔鏡態能數清相鄰兩腳；6mm 鏡筒可分辨 0.2mm 走線
幀率	SVGA quality12，計數 10 秒畫面更新	≥10fps（手機上開防縮放模式計）
延遲	鏡頭前拍手掌＋手機同框影片比對	<250ms（焊接用可接受）
調光線性	拉桿 0→100，量燈環端電流	單調上升、無閃爍（PWM 5kHz 手機慢動作無紋）
多觀眾	手機＋平板＋筆電同開 /stream	3 人同時、每人都到 8fps 以上
單拍鏈路	按實體鈕	Serial 印存檔路徑；TG 設定後 3 秒内收到圖

🆘 問題排除

症狀	最可能的原因	處方
Serial 印 CAM FAIL／Camera probe failed	14 線中接錯一支（最常見 PCLK/VSYNC 對調）、相機供電反接已燒、PSRAM 未開 OPI	逐線對照接線表（拍照比對最快）；重設 PSRAM=OPI PSRAM 再燒；相機 VIN/GND 反接多數會直接報銷模組
開機就重啟循環	USB 集線器供電不足（相機初始化峰值 300mA）	直插電腦背板 USB 或獨立 2A 電源；換粗一點的線
畫面只有 QQVGA／開大就崩	PSRAM 沒開（程式自動降階）或 N8R2 模組誤設 Octal	Serial 看 psramFound()；模組型號對設定（R2=Quad、R8=Octal）
畫面綠底／負片／馬賽克	JPEG 品質與解析度組合超出感測器模式、或排線太長吃訊號	先降 quality=16＋SVGA 測試；束線減半、XCLK 改 16MHz 再試
畫面上下顛倒／鏡射	感測器預設翻轉與你的機座方向不合	網頁端 CSS transform 或 sccb 設 hmirror/vflip（程式留了註解位）
調焦會晃	底座沒配重、牙桿與滑架單點受力	底座配重加重；轉動方向順牙桿施力；必要時擠型加長
多人同看就卡	S3 單 radio 頻寬有限，MJPEG 每人吃 2–3Mbps	Wi-Fi 信道離干擾源；或第三四份改按單拍輪看——它本來就不是 Netflix

📁 專案檔案結構

s3-microscope/
├── firmware/
│   └── microscope_s3.ino          # 上方完整韌體
├── stl/
│   ├── focus-carriage.stl         # 升降滑架
│   ├── camera-pod.stl             # 相機艙＋鏡筒接座
│   ├── led-ring.stl               # 燈環圈
│   ├── base.stl                   # 底座（配重槽）
│   └── knob.stl                   # 調焦手輪
├── f3d/
│   └── microscope.f3d             # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html              # 圖文組裝說明書
└── README.md                      # 說明文件

🎯 結語

裝好当晚，小孩把牠的螞蟻放在載物台上，三代同堂圍著一台 iPad 看螞蟻洗脸——這台機器最貴的輸出不是畫面，是「大家一起看同一个小東西」的場面。而我這邊，0603 立碑焊點在 27 吋螢幕上無所遁形，重焊只花了三秒。USB 顯微鏡厂商永远不会做 Wi-Fi 版本：加了就超過 1000 元、还要写 App。但你有 S3，它有 Wi-Fi，浏览器就是全世界最通用的螢幕接收器。下一期我們家這三台「網路自己人」剛好湊齊——斷網守護者 ESP32-C61，負責在你追剧卡頓之前，先把 Hinet 的摸魚記錄寫好存證。